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蘇州納米所張學同團隊在《科學》（Science）上發(fā)表前瞻性觀點論文
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所張學同團隊在Science上發(fā)表了題為Mimicking polar bear hairs in aerogel fibers的前瞻性觀點論文（Perspective）。論文針對氣凝膠作為超級隔熱材料在人體保暖領域應用受限的現(xiàn)狀，提出采用氣凝膠纖維的形態(tài)在人體熱管理領域使用氣凝膠可以實現(xiàn)保暖性和透氣性統(tǒng)一的觀點，并認為通過結構功能設計可以進一步實現(xiàn)優(yōu)異的力學性能；論文還從氣凝膠纖維的顛覆性、氣凝膠纖維限域功能化策略與其他潛在應用、以及未來發(fā)展所面臨的挑戰(zhàn)等方面進行了評述和展望。張學同研究員為該論文通訊作者，盛智芝副研究員為第一作者，蘇州納米所為第一通訊單位。
氣凝膠是一種利用氣體置換濕凝膠中的液體而形成的超輕多孔納米材料。自1931年被發(fā)現(xiàn)以來，氣凝膠就被認為是超級隔熱材料。氣凝膠在NASA火星車等航空裝備上的成功應用，自然而然讓人想到它能否用于人體熱管理。盡管世界各國研究機構均致力于推動氣凝膠在人體保溫領域的應用，包括登山運動員身著由氣凝膠制備的登山服登上了珠穆朗瑪峰，但其在紡織領域的應用仍然談不上獲得了成功。原因在于，雖然氣凝膠提供了很好的隔熱性能，但無法提供透氣性和舒適性。氣凝膠纖維可以有效解決保暖性和透氣性這個矛盾。氣凝膠纖維可以將各種納米構筑單元（如芳綸納米纖維、氧化硅納米顆粒、石墨烯納米片等）組成的紡絲液通過動態(tài)溶膠-凝膠濕法紡絲技術結合特種干燥技術制備而成。通過調控這些納米構筑單元之間的相互作用，各種不同材料體系形成的氣凝膠纖維相繼問世，使得彎曲、打結、扭曲以及編織等豐富的氣凝膠力學屬性成為可能。
然而，目前氣凝膠纖維的強度還不足以讓其形成大面積氣凝膠纖維織物，并且難以耐受水洗，無法滿足現(xiàn)代紡織領域的要求，同期Science發(fā)表（浙江大學柏浩教授團隊）的關于仿北極熊毛可編織的氣凝膠纖維用于隔熱織物的研究，該氣凝膠纖維織物兼具優(yōu)異的力學性能和隔熱性能。柏浩教授等人模仿北極熊毛的核-殼結構，開發(fā)了一種高分子殼層封裝的氣凝膠纖維（EAFs）。該氣凝膠纖維由含高孔隙率（90%以上）的殼聚糖氣凝膠核層和熱塑性聚氨酯殼層組成，氣凝膠核層可以有效鎖住大量的空氣并提供優(yōu)異的隔熱性能，而封裝用聚氨酯殼層賦予纖維最終優(yōu)異的力學性能（拉伸形變可達1000%）。該氣凝膠形成的織物熱導率為26.9 1.8 mW/(m K)，該值遠遠低于羊毛、尼龍和滌綸織物的熱導率。值得一提的是，在相似的隔熱效果下，該氣凝膠纖維織物的厚度僅為羽絨厚度的五分之一。在-20 的寒冷環(huán)境下，由該氣凝膠纖維編織的毛衣保暖效果優(yōu)于羽絨服、羊毛衫和棉質毛衣。此外，由氣凝膠纖維編織的毛衣具有優(yōu)異的耐水性、染色性和柔韌性，且經過10000次循環(huán)拉伸變形后依然具有優(yōu)異的隔熱性能。
圖1. 氣凝膠纖維——下一代保暖紡織材料
氣凝膠纖維是下一代保暖纖維。氣凝膠纖維織物中，單根氣凝膠纖維可以提供優(yōu)異的隔熱性能，而纖維搭接處的大孔可以提供有效的透氣性（圖1）。氣凝膠纖維的顛覆性體現(xiàn)在兩個方面：1）制備工藝的顛覆性，2）性能的顛覆性。在制備工藝方面，傳統(tǒng)的溶膠-凝膠轉變是緩慢且靜止的過程，難以與快速、動態(tài)、連續(xù)的紡絲技術耦合。氣凝膠纖維的制備是一步成型，可直接使用，無需經過復雜的后處理如傳統(tǒng)紡織工藝中的紡紗步驟。在性能方面，氣凝膠纖維的隔熱性能優(yōu)于羽絨和超細纖維，是紡織領域的革命性材料。
與靜電紡纖維和其他多孔纖維相比，氣凝膠纖維具有極高的比表面積和極高的孔隙率。因此，除了紡織領域，氣凝膠纖維還可廣泛應用于吸附、分離、光學器件、能源等其他重要領域。含豐富的介孔和纖維間的大孔的氣凝膠纖維聚集體，可以實現(xiàn)高吸附量和快速吸附的矛盾統(tǒng)一。氣凝膠纖維聚集體中多尺度的孔隙，也有望解決膜分離領域中通量和選擇性的權衡問題。此外，通過調控納米構筑單元的尺寸（如氧化硅納米顆粒尺寸），氣凝膠纖維還可應用于光學器件。值得一提的是，氣凝膠纖維中豐富的納米限域空間可以引入各種豐富的客體材料，如功能分子、納米粒子和功能液體，進而可以衍生全新的前沿應用。例如，在氣凝膠纖維中引入相變流體可以同時實現(xiàn)熱能存儲和光熱/電熱智能響應；調控氣凝膠纖維的納米多孔屬性，也能在二氧化碳捕獲、高效止血等環(huán)境保護、生物醫(yī)藥領域獲得廣泛應用。
氣凝膠纖維的高速發(fā)展方興未艾，其未來的挑戰(zhàn)在于：1）如何發(fā)展快速紡絲技術，2）如何解決紡絲和干燥一體化的全連續(xù)制備技術。紡絲過程中，對紡絲熱力學和紡絲動力學的深入理解有助于解耦低溶膠-凝膠轉變速率與高紡絲速率之間的失配。目前，氣凝膠纖維的濕法紡絲速率約為20米/分鐘，與工業(yè)級傳統(tǒng)纖維的濕紡（200米/分鐘）、干紡（1500米/分鐘）和熔融紡（5000米/分鐘）相比還存在差距。此外，連續(xù)紡絲和間歇式干燥雖然已經實現(xiàn)，但將這兩個過程有機結合的全連續(xù)化制備技術依然難以成為現(xiàn)實。要實現(xiàn)氣凝膠纖維的全過程連續(xù)化制備技術，有必要深入理解快速減壓干燥脫溶劑的原理，并解決連續(xù)化裝備的開發(fā)。隨著先進材料的開發(fā)和先進制備技術的形成，氣凝膠纖維發(fā)展未來可期。
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